JP2006523940A - Fuel cell with super water-repellent surface - Google Patents
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Abstract
水の凝縮が発生する選択された箇所に耐久性のある超撥水性表面を有する部品を備える燃料電池。超撥水性表面は一般的に、臨界接触線密度以上の所定の接触線密度を表面が有するように配置された複数の突出するマイクロ規模またはナノ規模の突出部を備える基板部分を有する。A fuel cell comprising a component having a durable super-water-repellent surface at selected locations where water condensation occurs. A superhydrophobic surface generally has a substrate portion with a plurality of protruding micro- or nano-scale protrusions arranged such that the surface has a predetermined contact line density greater than or equal to the critical contact line density.
Description
関連出願
本出願は、本明細書で全面的に文献援用される、2003年4月15日に出願された「高圧液体の超撥水性表面」という名称の米国仮特許出願第60/462,963号、および本明細書で全面的に文献援用される、2003年9月15日に出願された「超撥水性表面を備える燃料電池」という名称の米国実用特許出願第10/662,679号の利益を主張する。
RELATED APPLICATIONS This application is a US Provisional Patent Application No. 60 / 462,963, filed Apr. 15, 2003, entitled “Superhydrophobic Surface of High Pressure Liquid”, which is hereby fully incorporated by reference. And U.S. Utility Patent Application No. 10 / 662,679, filed Sep. 15, 2003 and entitled “Fuel Cell with Super-Water-Repellent Surface”, which is incorporated herein by reference in its entirety. Insist on profit.
発明の分野
本発明は、一般的には燃料電池、より詳しくは燃料電池の水処理に関する。
The present invention relates generally to fuel cells, and more particularly to water treatment of fuel cells.
発明の背景
燃料電池技術は、化石燃料を燃焼するエンジンおよびバーナーに関連する環境面および長期的燃料供給面の配慮ゆえに、最近の多くの研究開発活動の対象となっている。燃料電池技術は一般的に、車両での使用を可能にするのに充分に小型かつ軽量であるクリーンなエネルギー源を約束する。そのうえ、燃料電池は、固定的な用途ではエネルギー使用地点の近くに配置されるため、長距離にわたるエネルギー伝達に関連する非効率性を著しく軽減する。
BACKGROUND OF THE INVENTION Fuel cell technology has been the subject of many recent research and development activities because of environmental and long-term fuel supply considerations associated with engines and burners that burn fossil fuels. Fuel cell technology generally promises a clean energy source that is small and lightweight enough to enable use in vehicles. Moreover, fuel cells are placed near the point of energy use in fixed applications, thus significantly reducing the inefficiencies associated with energy transmission over long distances.
燃料電池には多様な燃料および材料が使用されるが、すべての燃料電池は一般的に、電解質によって分離されたアノードおよび対向するカソードを有する。アノードおよびカソードは一般に多孔質であり、燃料はその一方、概してカソード、から電池へ導入され、酸化物は他方、概してアノード、から導入される。燃料は電池内で酸化し、副産物としての水および熱とともに直流電流を発生させる。各電池は、一般的に約1ボルトの電位を発生させるが、任意の数の電池が直列接続されて、かつ、セパレータプレートによって分離されて、所望の値の電位を与える燃料電池スタックをなしてもよい。最新の燃料電池設計では、たいていはアノードとカソードと電解質とが結合されて膜電極アセンブリとなり、セパレータプレートと集電装置が結合されて「バイポーラプレート」となることが多い。燃料電池の設計および動作の詳細は、全面的に本明細書に文献援用される非特許文献1でさらに説明されている。膜電極アセンブリおよびバイポーラプレートを含む様々な燃料電池部品は、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献8にさらに記載されており、それぞれが全面的に本明細書に文献援用されている。 Although a variety of fuels and materials are used for fuel cells, all fuel cells typically have an anode and an opposing cathode separated by an electrolyte. The anode and cathode are generally porous, with fuel being introduced into the cell from one side, generally the cathode, and the oxide, on the other hand, generally from the anode. The fuel oxidizes in the cell and generates a direct current with water and heat as by-products. Each cell typically generates a potential of about 1 volt, but any number of cells are connected in series and separated by a separator plate to form a fuel cell stack that provides the desired value of potential. Also good. In modern fuel cell designs, the anode, cathode, and electrolyte are often combined to form a membrane electrode assembly, and the separator plate and current collector are combined to form a “bipolar plate”. Details of the design and operation of the fuel cell are further described in Non-Patent Document 1, which is fully incorporated herein by reference. Various fuel cell components, including membrane electrode assemblies and bipolar plates, are further described in US Pat. Each of which is hereby fully incorporated by reference.
燃料電池の設計における不変の課題は、電池内の水の処理という課題である。所定条件下では、水は電池内で非常に急速に発生する。この水は概して電池のカソード側で発生し、もし蓄積されれば、電池内への燃料の流れを制限または阻止する。このような状況は業界では「カソードフラッディング」として知られる。そのうえ、電池と周囲環境との間の温度差が大きいため、動作中に空気が電池に出入りする際に水蒸気の凝縮が時々発生する。 An unchanging problem in the design of fuel cells is the problem of water treatment in the battery. Under certain conditions, water is generated very rapidly in the battery. This water is generally generated on the cathode side of the cell and, if accumulated, restricts or prevents fuel flow into the cell. This situation is known in the industry as “cathode flooding”. Moreover, due to the large temperature difference between the battery and the surrounding environment, water vapor condensation sometimes occurs when air enters and exits the battery during operation.
一般的に、バイポーラプレートの表面は排水路を備え、水は排水路を通って収集エリアへ送られて電池から排水される。さらにバイポーラプレートは表面エネルギーが比較的低い材料から製造されることが多いため、バイポーラプレートからの水の排出は比較的容易である。しかしこれらの手段はいずれも、燃料電池におけるカソードフラッディングと水処理の問題を解消することに完全に成功していない。特に、PTFEのような低表面エネルギー材料が燃料電池で使用される場合、水滴は所望通りに排水されず電池のバイポーラプレートおよび他の表面に付着する。業界で必要とされるのは、電池内の排水の改良を容易にする部品を備える燃料電池である。
本発明は、上述した同業界の必要性を実質的に満たす。本発明は、水の凝縮が発生する選択箇所に耐久性のある超撥水性表面を有する部品を備える燃料電池スタック装置を有し、装置内の排水を改良する。超撥水性表面が高い撥水性を備えるため、水滴が表面へ付着する傾向をかなり抑制し、これにより電池内の排水を著しく改良する。 The present invention substantially satisfies the needs of the industry described above. The present invention has a fuel cell stack device with components having a durable super-water-repellent surface at selected locations where water condensation occurs and improves drainage in the device. Since the super water-repellent surface has high water repellency, the tendency of water droplets to adhere to the surface is significantly suppressed, thereby significantly improving drainage in the battery.
超撥水性表面は概して、規則的なアレイに配置された突出する規則的形状の複数のマイクロ規模またはナノ規模の突出部を備える基板部分を有し、表面は、下式により決定される臨界接触線密度値「ΛL」以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した所定の接触線密度を有する。
ここで、Pは流体流路内の所定の最高予想流体圧力値、γは液体の表面張力、θa,0は、実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角である。概して、超撥水性表面の撥水性を最適化するため、突出部の間隔寸法に対する突出部の断面寸法の比は0.1以下であることが望ましい。
A superhydrophobic surface generally has a substrate portion with a plurality of micro- or nano-scale protrusions of protruding regular shapes arranged in a regular array, the surface being a critical contact determined by It has a predetermined contact line density obtained by measuring the contact line per square meter of the surface area, which is equal to or greater than the linear density value “Λ L ”, in meters.
Where P is the predetermined maximum expected fluid pressure value in the fluid flow path, γ is the surface tension of the liquid, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the protrusion material from experimental measurements, ω is the protrusion rising angle in degrees. In general, in order to optimize the water repellency of the super-water-repellent surface, it is desirable that the ratio of the cross-sectional dimension of the protrusion to the distance between the protrusions is 0.1 or less.
突出部は、基板材料自体中もしくはその表面上に、または基板表面に配置された1層以上の材料に形成される。突出部は、規則的もしくは不規則的な形状の三次元固体または凹部であり、何らかの規則的な幾何学パターンで配置される。 The protrusions are formed in the substrate material itself or on its surface, or in one or more layers of material disposed on the substrate surface. Protrusions are regular or irregularly shaped three-dimensional solids or depressions that are arranged in some regular geometric pattern.
突出部は、フォトリソグラフィを用いて、またはナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、金属コロイド単分子層の自己組織化、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル・ゲル成形、自己組織化単分子層指向性パターンニング、化学エッチング、ゾル・ゲルスタンピング、コロイドインクによるプリンティングを用いて、またはカーボンナノチューブの層を基板に配置することにより形成される。プロセスは、下式によりメートル単位の臨界突出部高さ値「Zc」を決定する段階をさらに有する。
ここで、dは隣接する突出部の間のメートル単位の最短距離、θa,0は、表面における液体の度単位の真の前進接触角、ωは度単位の突出部立上り角である。
Protrusions using photolithography or nanomachining, microstamping, microcontact printing, self-assembly of metal colloid monolayers, atomic force microscopy nanomachining, sol-gel molding, self-assembled monolayer orientation It is formed by sex patterning, chemical etching, sol-gel stamping, colloidal ink printing, or by placing a layer of carbon nanotubes on a substrate. The process further comprises determining a critical protrusion height value “Z c ” in meters according to the following equation:
Where d is the shortest distance in meters between adjacent protrusions, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the surface, and ω is the rise angle of the protrusion in degrees.
好ましい実施例の詳細な説明
本出願において、「燃料電池」の語は、任意のタイプの電気化学的燃料電池装置を意味し、陽子交換膜燃料電池(PEMFC)、アルカリ燃料電池(AFC)、リン酸燃料電池(PAFC)、溶融炭酸燃料電池(MCFC)、固体酸化物燃料電池(SOFC)を含むがこれらに限定されない。「燃料電池スタック装置」の語は、少なくとも一つの燃料電池とその部品のいずれかおよびすべてを、燃料電池の機能に関連する独立部品のいずれかおよびすべてとともに含む装置を指し、独立部品は、容器、絶縁体、マニホルド、配管、電気部品を含むがこれに限定されない。
DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS In this application, the term “fuel cell” means any type of electrochemical fuel cell device, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), alkaline fuel cell (AFC), phosphorus Examples include, but are not limited to, acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells (SOFC). The term “fuel cell stack device” refers to a device that includes any and all of at least one fuel cell and its components, along with any and all of the independent components related to the function of the fuel cell, Including, but not limited to, insulators, manifolds, piping, and electrical components.
液体により湿潤することへの耐性を有する表面は、「撥性」表面と呼ばれる。このような表面は、液体が水である場合には撥水性として知られ、他の液体に対して撥液性として知られる。表面が湿潤に対して水または他の液体の微小液滴が表面に対して非常に高い静的接触角(約120度を超える)を示す程度に耐性を有する場合、表面が液滴を保持する傾向が著しく低い場合、または液体に完全に浸漬された時に液体・気体・固体界面が表面に存在する場合には、表面は、「超撥水性」または「超撥液性」表面と呼ばれる。本出願では、概して超撥水性表面および超撥液性表面の両方を指すのに、まとめて超撥水性の語が使用される。 A surface that is resistant to wetting by a liquid is referred to as a “repellent” surface. Such a surface is known as water repellency when the liquid is water and is known as liquid repellency with respect to other liquids. If the surface is resistant to wetting to the extent that a microdroplet of water or other liquid exhibits a very high static contact angle (greater than about 120 degrees) to the surface, the surface will retain the droplet A surface is referred to as a “super-water-repellent” or “super-liquid-repellent” surface when the tendency is very low, or when a liquid / gas / solid interface is present on the surface when fully immersed in the liquid. In this application, the term superhydrophobic is generally used to refer to both superhydrophobic and superhydrophobic surfaces.
表面の粗さが表面湿潤の程度に大きな影響を持つことは、現在ではよく知られている。ある状況では、粗さは対応する滑らかな表面よりも液体をより強固に表面に付着させることが観察されている。しかし他の状況では、粗さは、液体が滑らかな表面ほど強固には粗い表面に付着しない結果ももたらす。ある状況では、表面は超撥水性である。このような超撥水性表面は一般的に、本明細書において「突出部」と呼ばれる複数のマイクロ規模からナノ規模までの凸部または凹部を備える基板部材の形を取る。 It is now well known that surface roughness has a significant effect on the degree of surface wetting. In some situations, roughness has been observed to adhere liquid more firmly to a surface than a corresponding smooth surface. In other situations, however, roughness also results in the liquid not sticking to a rougher surface as hard as a smoother surface. In some situations, the surface is super water repellent. Such superhydrophobic surfaces generally take the form of a substrate member comprising a plurality of micro- to nano-scale protrusions or recesses, referred to herein as “protrusions”.
本発明に係る燃料電池スタック装置100の実施例の一部分が、図1aに簡単な断面図で描かれている。燃料電池スタック装置100は一般的に、バイポーラプレート104により隔離された膜電極アセンブリ102を有する。エンドプレート106は各端部に装置100を有する。各膜電極アセンブリ102は一般的に、アノード膜構造108とカソード膜構造110と電解質112とを有する。
A portion of an embodiment of a fuel cell stack apparatus 100 according to the present invention is depicted in simplified cross-section in FIG. The fuel cell stack apparatus 100 generally has a
バイポーラプレート104およびエンドプレート106は、一般的に、金属または炭素充填ポリマーのような、導電性で耐腐食性かつ耐熱性の物質から製造される。バイポーラプレート104の表面114とエンドプレート106の内向面116とは、一般的に、燃料および酸化物を膜電極アセンブリ102へ搬送するとともに水を排出するための通路118を有する。バイポーラプレート104およびエンドプレート106の熱伝達部分120は、電池から熱を取り除くための付加的表面エリアとなる。
Bipolar plate 104 and end plate 106 are typically manufactured from a conductive, corrosion-resistant and heat-resistant material, such as a metal or carbon-filled polymer. The surface 114 of the bipolar plate 104 and the inwardly facing surface 116 of the end plate 106 generally have passages 118 for transporting fuel and oxide to the
本発明によれば、バイポーラプレート104またはエンドプレート106の外面のすべてまたは任意の所望の部分が超撥水性表面である。例えば図1bに描かれているように、超撥水性表面20は通路118の内向面121に設けられて、通路118での排水を向上させる。反応過程で発生した水滴は超撥水性表面20によってはじかれて、水は重力により通路118から排水される。
According to the present invention, all or any desired portion of the outer surface of the bipolar plate 104 or end plate 106 is a super water-repellent surface. For example, as depicted in FIG. 1 b, a super water-repellent surface 20 is provided on the
図1aに描かれているように、熱伝達部分120および外面122のような、バイポーラプレート104またはエンドプレート106の他の部分にも超撥水性表面20が設けられて、これらの表面に集まるまたは凝縮する水の排水を改良してもよい。燃料・酸化物マニホルドおよび配管(不図示)、ベント(不図示)、ならびに容器表面(不図示)のような燃料電池スタックアセンブリの他の部品にも超撥水性表面20が設けられて、周囲環境と電池内の上昇温度との間の湿潤ガスの移動によりこれらの部品に凝縮する水を排出してもよい。本発明に係る超撥水性表面20が任意の燃料電池スタック装置部品の任意の所望の部分に設けられてその排水特性を向上させることは、容易に理解できるだろう。 As depicted in FIG. 1a, other portions of the bipolar plate 104 or end plate 106, such as the heat transfer portion 120 and the outer surface 122, are also provided with super-water-repellent surfaces 20 to collect on these surfaces or The drainage of condensed water may be improved. Other parts of the fuel cell stack assembly, such as fuel and oxide manifolds and piping (not shown), vents (not shown), and vessel surfaces (not shown) are also provided with a super-water-repellent surface 20 to provide an ambient environment. Water that condenses on these parts may be discharged by the movement of wet gas between the battery and the elevated temperature in the battery. It will be readily appreciated that the super water-repellent surface 20 according to the present invention is provided in any desired portion of any fuel cell stack device component to improve its drainage characteristics.
本発明に係る超撥水性表面20を大きく拡大した図が図1に描かれている。表面20は概して、多数の突出部24を備える基板22を有する。各突出部24は、複数の側面26および上面28とを含む。各突出部24は、図では「x」と記された幅寸法と、図では「z」と記された高さ寸法とを有する。
A greatly enlarged view of a super water-repellent surface 20 according to the present invention is depicted in FIG. The surface 20 generally has a
図1〜3に描かれているように、突出部24は規則的な長方形アレイに配置され、各突出部は、図では「y」で示される間隔寸法だけ隣接の突出部から離間している。突出部24の上面エッジ30によって定められる角度はφで示され、基板22に対する突出部24の側面26の立上り角はωで示されている。角度φとωとの和は180度である。
As depicted in FIGS. 1-3, the
超撥水性表面20は一般的に、液体・固体・気体界面が表面に維持される時に超撥水性を示す。図7に描かれているように、上面28と、突出部24の上面エッジ30に近接する側面26の一部分とのみに液体32が接触する場合には、突出部の間の空間34には空気または他の気体が充填されたままとなり、必要な液体・固体・気体界面が存在する。液体は、突出部24の上面および上面エッジ30間に「懸架」されているといえる。
The super water repellent surface 20 generally exhibits super water repellency when a liquid / solid / gas interface is maintained on the surface. As depicted in FIG. 7, when the liquid 32 contacts only the
以下で開示されるように、液体・固体・気体界面の形成は、突出部24の所定の相関的な幾何学パラメータおよび液体の性質と、液体および固体面の相互作用とに依存する。本発明によれば、表面20が所望の液圧で超撥水性を示すように突出部24の幾何学パラメータが選択される。
As disclosed below, the formation of the liquid-solid-gas interface depends on the predetermined correlated geometric parameters of the
図1〜3の長方形アレイを参照すると、表面20は、点線を境界線にして描かれた、各突出部24を取り囲む均一エリア36に分割される。各均一エリア36における突出部の面密度(δ)は以下の等式で表される。
ここで、yはメートル単位で測定された突出部間の間隔である。
With reference to the rectangular array of FIGS. 1-3, the surface 20 is divided into
Here, y is the distance between the protrusions measured in meters.
図1〜3に描かれた方形断面の突出部24については、上面エッジ30における上面28の周の長さ(p)は、
であり、ここで、xはメートル単位の突出部の幅である。
1-3, the circumferential length (p) of the
Where x is the width of the protrusion in meters.
周pは、液体・固体・気体界面の場所を画定する「接触線」と呼ばれる。表面の接触線密度(Λ)すなわち表面の単位面積あたりの接触線の長さは、周(p)と突出部の面密度(δ)との積であるため、
となる。
The circumference p is called the “contact line” that defines the location of the liquid / solid / gas interface. The surface contact line density (Λ), that is, the length of the contact line per unit area of the surface, is the product of the circumference (p) and the surface density (δ) of the protrusions.
It becomes.
図1〜3に描かれた方形突出部の長方形アレイについては、
となる。
For a rectangular array of rectangular protrusions depicted in FIGS.
It becomes.
液体に作用する重力による体積力(F)が突出部の接触線に作用する表面力(f)より小さい場合には、突出部24の上に一定量の液体が懸架される。重力に関連する体積力(F)は、以下の式により決定される。
ここで、(p)は液体の密度、(g)は重力による加速度、(h)は液体の深さである。ゆえに、例えばおよそ1000kg/m3の密度を持つ10メートルの水柱では、体積力(F)は
となる。
When the body force (F) due to gravity acting on the liquid is smaller than the surface force (f) acting on the contact line of the protrusion, a certain amount of liquid is suspended on the
Here, (p) is the density of the liquid, (g) is the acceleration due to gravity, and (h) is the depth of the liquid. Thus, for example, for a 10 meter water column with a density of approximately 1000 kg / m 3 , the body force (F) is
It becomes.
他方、表面力(f)は、液体の表面張力(γ)、垂線に対する突出部24の側面26の見かけの接触角θs、突出部の接触線密度(Λ)、および液体の見かけの接触面積(Α)に依存し、
となる。
On the other hand, the surface force (f) is the surface tension (γ) of the liquid, the apparent contact angle θ s of the
It becomes.
所定の固体材料上の液体の真の前進接触角(θa,0)は、本質的に突出部を持たない材料表面上の液体の最大の実験測定静止接触角として定義される。真の前進接触角は、当該技術で周知の技術によって容易に測定可能である。 The true advancing contact angle (θ a, 0 ) of the liquid on a given solid material is defined as the maximum experimentally measured static contact angle of the liquid on the material surface with essentially no protrusions. The true advancing contact angle can be easily measured by techniques well known in the art.
突出部を備える表面の上の懸架滴は、突出部の両側において真の前進接触角値(θa,0)を示す。突出部の側面における垂線に対する接触角(θs)は、以下のように、φまたはωにより真の前進接触角(θa,0)に関連する。
Suspended drops on the surface with protrusions show true advancing contact angle values (θ a, 0 ) on both sides of the protrusions. The contact angle (θ s ) with respect to the normal on the side surface of the protrusion is related to the true advancing contact angle (θ a, 0 ) by φ or ω as follows.
Fとfとを等しくして接触線密度Λを求めることにより、表面における超撥水性を予想するために臨界接触線密度パラメータΛLは以下のように決められる。
ここで、gは液体の密度(ρ)、(g)は重力による加速度、(h)は液体の深さ、液体の表面張力(γ)、ωは基板に対する突出部の側面の度単位の立上り角、および(θa,0)は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角である。
By obtaining the contact line density Λ by making F and f equal, the critical contact line density parameter Λ L is determined as follows in order to predict the super-water repellency at the surface.
Where g is the density (ρ) of the liquid, (g) is the acceleration due to gravity, (h) is the depth of the liquid, surface tension (γ) of the liquid, and ω is the rise in degrees on the side surface of the protrusion relative to the substrate. The angle, and (θ a, 0 ) is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the protrusion material from experimental measurements.
Λ>ΛLの場合、液体は突出部24の上に懸架されて超撥水性表面が形成される。またΛ<ΛLの場合には、液体は突出部から落下して、表面上の接触界面は超撥水性を持たない単なる液体/固体となる。
When Λ> Λ L , the liquid is suspended on the
上述の等式の分子に適切な値を代入することにより、所望する量の圧力で超撥水性を保持する表面を設計するように臨界接触線密度の値が決定されることは理解できるだろう。等式は以下のように一般化される。
ここで、Pは表面が超撥水性を必ず示すキログラム/平方メートル単位の最大圧力、γは液体のニュートン/メートル単位の表面張力、θa,0は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは度単位の突出部立上り角である。
It will be appreciated that by substituting appropriate values for the numerators in the above equation, the critical contact line density value is determined to design a surface that retains super water repellency at the desired amount of pressure. . The equations are generalized as follows:
Where P is the maximum pressure in kilograms / square meter that the surface must exhibit super water repellency, γ is the surface tension in liquid Newtons / meter, and θ a, 0 is the degree unit of the liquid on the protrusion material from experimental measurements. Is the true advancing contact angle, and ω is the protrusion rise angle in degrees.
上記の関係にしたがって形成された表面20が、上の等式(9)で使用されたPの値までのおよびPの値を含む液圧値において超撥水性を示すことは概ね予想される。表面が浸漬されても、液体のジェットまたはスプレーを受けても、または個々の液滴に衝突されても、超撥水性が示される。 It is generally expected that the surface 20 formed according to the above relationship will exhibit super water repellency at hydraulic values up to and including the value of P used in equation (9) above. Super water repellency is exhibited whether the surface is immersed, subjected to a liquid jet or spray, or struck by individual droplets.
臨界接触線密度の値が決定されると、接触線密度についての等式で与えられるxとyの関係にしたがって、突出部の幾何学形状の残りの詳細が決定される。言い換えると、接触線等式でxまたはyのいずれかの値を選択して他の変数を求めることにより、表面の幾何学形状が決定される。 Once the critical contact line density value is determined, the remaining details of the protrusion geometry are determined according to the relationship between x and y given by the equation for contact line density. In other words, the surface geometry is determined by selecting any value of x or y in the contact line equation and determining other variables.
超撥水性表面20が液滴をはじいて非常に高い接触角で液滴が表面に当接する傾向は、表面上の液滴の前進接触角と後退接触角の差である接触角ヒステリシス(△θ)によって最もよく表される。一般に、低い接触角ヒステリシスの値は表面の比較的高い撥水性に対応する。表面の接触角ヒステリシスは以下の等式により決定される。
ここで、(λp)は突出部沿いの接触直線比(linearfraction)、(△θ0)は表面材料について真の前進接触角(θa,0)と真の後退接触角(θγ,0)との差、および(ω)は突出部の立上り角である。正方形突出部の長方形アレイに対しては、
となる。
The tendency of the super water-repellent surface 20 to repel the droplet and the droplet to contact the surface at a very high contact angle is the contact angle hysteresis (Δθ) which is the difference between the advancing contact angle and the receding contact angle of the droplet on the surface. ) Is best represented. In general, a low contact angle hysteresis value corresponds to a relatively high surface water repellency. Surface contact angle hysteresis is determined by the following equation:
Where (λ p ) is the contact linear ratio along the protrusion (linear fraction), and (Δθ 0 ) is the true advancing contact angle (θ a, 0 ) and true receding contact angle (θ γ, 0 ) for the surface material. ) And (ω) are the rising angles of the protrusions. For a rectangular array of square protrusions,
It becomes.
他の幾何学形状を有する表面について(λp)を決定するための等式が図13に与えられている。表面上の液滴について、表面の実際の前進接触角は以下の等式によって決定される。
また、実際の後退接触角は以下の等式によって決定される。
An equation for determining (λ p ) for surfaces having other geometric shapes is given in FIG. For droplets on the surface, the actual advancing contact angle of the surface is determined by the following equation:
The actual receding contact angle is determined by the following equation.
上述の関係を調べることにより、λp,ω,x/y,Λの値が比較的低いと表面の撥水性が比較的改良されることと、これらの同じパラメータの各々が比較的高いと表面が液柱を懸架する能力が比較的改良されることが、容易に理解できるだろう。したがって、良好な撥水性及び懸架特性を備える表面が望ましい場合、一般にはバランスをとってこれらのパラメータの値を選択する必要がある。 By examining the above relationship, a relatively low value of λ p , ω, x / y, Λ results in a relatively improved surface water repellency and a relatively high value for each of these same parameters. It will be readily understood that the ability to suspend the liquid column is relatively improved. Therefore, if a surface with good water repellency and suspension properties is desired, it is generally necessary to balance the values of these parameters.
上述の等式は、様々なx/y値に対する突出部間隔(y)と最高圧力(P)との所定の液体特性の関係をプロットするのにも利用される。かかるプロットは、その例が図17に示されており、以下に与える例で実証されるように有益な設計ツールとして役立つ。 The above equation is also used to plot a given liquid property relationship between protrusion spacing (y) and maximum pressure (P) for various x / y values. Such a plot, an example of which is shown in FIG. 17, serves as a useful design tool as demonstrated in the example given below.
図6に描かれているように、液体界面は、隣接する突出部の間で量D1だけ下方へ撓む。量D1が突出部24の高さ(z)よりも大きい場合には、突出部24の間の点で液体は基板22と接触する。これが起こると、液体は空間34へ引き寄せられて突出部から落下し、表面の超撥水性が損なわれる。D1の値は臨界突出部高さ(Zc)を表し、以下の式により決定することができる。
ここで、(d)は接触線における隣接する突出部の間の最短距離、ωは突出部立上り角、θa,0は実験測定による突出部材料上の液体の真の前進接触角である。突出部(24)の高さ(z)は、臨界突出部高さ(Zc)に少なくとも等しいか、望ましくはこれより高い。
As depicted in FIG. 6, the liquid interface deflects downward by an amount D 1 between adjacent protrusions. If the amount D 1 is greater than the height (z) of the
Here, (d) is the shortest distance between adjacent protrusions in the contact line, ω is the protrusion rising angle, and θ a, 0 is the true advancing contact angle of the liquid on the protrusion material by experimental measurement. The height (z) of the protrusion (24) is at least equal to, or preferably higher than, the critical protrusion height (Z c ).
図1〜3では、突出部立上り角ωは90度であるが、他の突出部幾何学形状も可能である。例えば、ωは図9に描かれているような鋭角でも、図10に描かれているような鈍角でもよい。一般に、ωは80度と130度の間であることが望ましい。 1-3, the protrusion rise angle ω is 90 degrees, but other protrusion geometries are possible. For example, ω may be an acute angle as depicted in FIG. 9 or an obtuse angle as depicted in FIG. In general, ω is preferably between 80 and 130 degrees.
本発明の範囲内で多様な突出部形状および配列が可能であることも理解できるだろう。例えば、突出部は多面体、図11〜12に描かれた円柱、類円柱、他の適当な三次元形状でよい。臨界接触線密度が維持される限り突出部はランダムに分散されてもよいが、このようなランダム構成は超撥水性の予想可能性が低いため、あまり望ましくない。このような突出部のランダム構成では、臨界接触線密度と他の関連パラメータは、その表面の平均値として概念化できる。図13の表には、様々な別の突出部形状や配列について接触線密度を計算するための式が挙げられている。 It will also be appreciated that a variety of protrusion shapes and arrangements are possible within the scope of the present invention. For example, the protrusion may be a polyhedron, a cylinder depicted in FIGS. 11-12, a similar cylinder, or other suitable three-dimensional shape. The protrusions may be randomly distributed as long as the critical contact line density is maintained, but such a random configuration is less desirable due to the low predictability of super-water repellency. In such a random configuration of protrusions, the critical contact line density and other related parameters can be conceptualized as the average value of the surface. The table in FIG. 13 lists formulas for calculating contact line density for various other protrusion shapes and arrangements.
そのうえ、突出部の接触線密度を最適化するために様々な戦略を利用できる。図14と15に描かれているように、突出部24は基部38と頭部40とを備えるように形成されてもよい。上面エッジ30における頭部40の周が長くなると、表面の接触線密度が高くなる。また、図16に描かれているように、くぼみ42のような特徴を突出部24に形成して、上面エッジ30での周を長くすることで接触線密度を高めてもよい。突出部は基板に形成された凹部でもよい。
In addition, various strategies can be used to optimize the contact line density of the protrusions. As depicted in FIGS. 14 and 15, the
突出部は、上述したような長方形アレイ、図4〜5に描かれた六角形アレイのような多角形アレイ、または円形や卵形配列で構成されてもよい。
臨界接触線密度が維持される限り突出部はランダムに分散されてもよいが、このようなランダム構成は超撥水性の予想可能性が低いため、あまり望ましくない。このような突出部のランダム構成では、臨界接触線密度と他の関連パラメータは、その表面の平均値として概念化できる。図13の表には、様々な別の突出部形状や配列について接触線密度を計算するための式が挙げられている。
The protrusions may comprise a rectangular array as described above, a polygonal array such as the hexagonal array depicted in FIGS. 4-5, or a circular or oval array.
The protrusions may be randomly distributed as long as the critical contact line density is maintained, but such a random configuration is less desirable due to the low predictability of super-water repellency. In such a random configuration of protrusions, the critical contact line density and other related parameters can be conceptualized as the average value of the surface. The table in FIG. 13 lists formulas for calculating contact line density for various other protrusion shapes and arrangements.
一般に、基板材料は、マイクロまたはナノ規模の突出部が適切に形成される材料でよい。突出部は、フォトリソグラフィまたは様々な適切な方法のいずれかにより、基板材料自体に、または、基板材料上に付着された1層以上の他の材料に直接形成される。平行な隆起の形の突出部を形成するには、直接押出し法が用いられる。このような平行隆起は、流体の流れる方向に対して横切る方向を向くことが最も望ましい。マイクロ/ナノ規模の突出部の形成に適したフォトリソグラフィ法は、全面的に本明細書に文献援用されているPCT公開特許出願第WO02/084340号に開示されている。 In general, the substrate material may be a material in which micro- or nano-scale protrusions are appropriately formed. The protrusions are formed directly on the substrate material itself or one or more other materials deposited on the substrate material, either by photolithography or various suitable methods. Direct extrusion is used to form protrusions in the form of parallel ridges. Such parallel ridges are most preferably oriented in a direction transverse to the direction of fluid flow. A photolithography method suitable for the formation of micro / nanoscale protrusions is disclosed in PCT Published Patent Application No. WO 02/084340, which is fully incorporated herein by reference.
所望の形状と間隔の突出部を形成するのに適した他の方法は、米国特許出願公開第2002/00334879号に開示されたナノマシニング、米国特許第5,725,788号に開示されたマイクロスタンピング、米国特許第5,900,160号に開示されたマイクロコンタクトプリンティング法、米国特許第5,609,907号に開示された金属コロイド単分子層の自己組織化、米国特許第6,444,254号に開示されたマイクロスタンピング、米国特許第5,252,835号に開示された原子間力顕微鏡ナノマシニング、米国特許第6,403,388号に開示されたナノマシニング、米国特許第6,530,554号に開示されたゾル・ゲル成形、米国特許第6,518,168号に開示された表面の自己組織化単分子層指向性パターニング、米国特許第6,541,389号に開示された化学エッチング、または米国公開特許出願第2003/0047822号に開示されたゾル・ゲルスタンピングを含み、これらすべてが本明細書に全面的に文献援用される。カーボンナノチューブ構造も所望の突出部形状を形成するために使用可能である。カーボンナノチューブ構造の例は、米国公開特許出願第2002/0098135号および第2002/0136683号に開示されており、これらも本明細書に全面的に文献援用される。また、コロイドインクによる周知のプリンティングを用いて適当な突出部構造が形成される。 Other methods suitable for forming protrusions of desired shape and spacing are the nanomachining disclosed in US 2002/00334879, the micro-dissociation disclosed in US Pat. No. 5,725,788. Stamping, microcontact printing method disclosed in US Pat. No. 5,900,160, self-assembly of metal colloid monolayer disclosed in US Pat. No. 5,609,907, US Pat. No. 6,444,444 Micro stamping disclosed in US Pat. No. 254, atomic force microscope nanomachining disclosed in US Pat. No. 5,252,835, nanomachining disclosed in US Pat. No. 6,403,388, US Pat. Sol-gel molding disclosed in US Pat. No. 530,554, surface self-assembled monolayer disclosed in US Pat. No. 6,518,168 Including directional patterning, chemical etching disclosed in US Pat. No. 6,541,389, or sol-gel stamping disclosed in US Published Patent Application No. 2003/0047822, all of which are fully incorporated herein. Is incorporated by reference. Carbon nanotube structures can also be used to form the desired protrusion shape. Examples of carbon nanotube structures are disclosed in US Published Patent Application Nos. 2002/0098135 and 2002/0136683, which are also fully incorporated herein by reference. Moreover, a suitable protrusion structure is formed by using well-known printing with colloidal ink.
ある用途では、特に部品が高圧を受けない場合、超撥水性表面20は、周知の化学蒸着技術または化学的表面改質技術を用いて適用されるポリマー材料のコーティングによって形成される。例えば、低表面エネルギー材料の薄層が、気相重合を用いて部品の表面に形成される。本出願では、低表面エネルギー材料は一般的に、約35mN/m未満の表面エネルギー値を有する材料である。結果として得られる超撥水性表面20は一般的に、低表面エネルギー材料にランダムに形成および配列された突出部を特徴とする。あるいは、部品の表面には、低温酸素プラズマまたはコロナ放電処理のような化学的表面改質プロセスが施されてもよい。要するに、所望の接触線密度を有するランダムな形状および配列の突出部を製造することが可能な任意のプロセスが使用され、これは本発明の範囲に包含されると考えられる。 In some applications, particularly when the component is not subjected to high pressure, the super-water-repellent surface 20 is formed by a coating of polymeric material applied using well-known chemical vapor deposition techniques or chemical surface modification techniques. For example, a thin layer of low surface energy material is formed on the surface of the component using gas phase polymerization. In this application, low surface energy materials are generally materials having a surface energy value of less than about 35 mN / m. The resulting superhydrophobic surface 20 is generally characterized by protrusions randomly formed and arranged in a low surface energy material. Alternatively, the surface of the part may be subjected to a chemical surface modification process such as low temperature oxygen plasma or corona discharge treatment. In short, any process capable of producing a random shape and array of protrusions with the desired contact line density is used and is considered to be within the scope of the present invention.
低圧用途の別の実施例では、基板上の材料層としてフラクタル超撥水性表面が形成される。このような実施例の一つでは、アルキルケトン二量体(AKD)または同様の材料の層がポリマー基板に溶融されるか注入されて、窒素ガス雰囲気で硬化する。AKD表面を形成する適当な方法の一つは、「超撥水性フラクタル表面」という名称の論文(Langmuir第12巻No.9,1996年5月1日)の2125ページにおいて、T.Onda,et al.によりさらに詳しく記載されており、この論文は本明細書に全面的に文献援用されている。 In another embodiment for low pressure applications, a fractal superhydrophobic surface is formed as a material layer on the substrate. In one such embodiment, a layer of alkyl ketone dimer (AKD) or similar material is melted or injected into a polymer substrate and cured in a nitrogen gas atmosphere. One suitable method for forming an AKD surface is described in T. P. 2125 in a paper entitled “Superhydrophobic Fractal Surface” (Langmuir Vol. 12, No. 9, May 1, 1996). Onda, et al. And this paper is fully incorporated herein by reference.
流体圧力の低い用途に適した別の実施例では、ポリプロピレンのようなポリマー材料が、p‐キシレンのような溶剤に溶解される。所定量のメチルエチルケトンのような非溶剤が溶液に追加され、溶液が部品の基板上に付着する。溶剤が蒸発すると、多孔性のゲル状超撥水性表面構造が結果的に得られる。 In another embodiment suitable for low fluid pressure applications, a polymeric material such as polypropylene is dissolved in a solvent such as p-xylene. A predetermined amount of non-solvent, such as methyl ethyl ketone, is added to the solution and the solution is deposited on the component substrate. When the solvent evaporates, a porous gel-like superhydrophobic surface structure results.
上述したポリマー層の各々では、結果として得られる表面は一般的に、ランダムな形状と構成の突出部を特徴とする。このような表面の実際の接触線密度および臨界接触線密度の値は、個々の突出部のばらつきのため決定が困難だが、これらの表面は、表面の接触線密度値が表面の臨界接触線密度と等しいかまたはこれを越える場合には超撥水性を示す。このような表面では、実際の線密度は、個々の突出部の寸法と幾何学形状の変動性ゆえに、必然的に表面の平均値となる。そのうえ、上述の等式における突出部立上り角ωは、表面の平均値となる。言うまでもなく、マイクロ/ナノ規模の突出部が正確に形成される他の任意の方法も使用でき、本発明の範囲に包含されると考えられることが理解できるだろう。 In each of the polymer layers described above, the resulting surface is generally characterized by protrusions of random shape and configuration. The actual contact critical density and critical contact linear density values for such surfaces are difficult to determine due to variations in individual protrusions, but these surfaces have surface contact linear density values that are critical surface contact density. If it is equal to or exceeds this, it indicates super water repellency. For such surfaces, the actual linear density will inevitably be the average value of the surface due to the variability of the dimensions and geometry of the individual protrusions. Moreover, the protrusion rising angle ω in the above equation is an average value of the surface. Of course, it will be appreciated that any other method by which micro / nanoscale protrusions can be accurately formed can be used and is considered within the scope of the present invention.
一般に、最高の排水性を得るには、燃料電池部品の超撥水性表面の撥水性を最適化することが最も望ましい。すでに説明したように、表面の撥水性はλp,ω,x/y、Λに比較的低い値を選択することにより最適化されるが、表面が電池内で受けると予想される最高圧力において超撥水性を確実に有するだけの充分な臨界接触線密度値(ΛL)を表面が有することは、なおも保証される。撥水性を最良とするには、突出部形状のx/y比は約0.1未満であるべきで、最も望ましいのは約0.01である。 In general, it is most desirable to optimize the water repellency of the super water-repellent surface of the fuel cell component in order to obtain the highest drainage. As already explained, the surface water repellency is optimized by selecting relatively low values for λ p , ω, x / y, Λ, but at the highest pressure the surface is expected to experience in the cell. It is still ensured that the surface has a critical contact linear density value (Λ L ) sufficient to ensure that it has super water repellency. For best water repellency, the x / y ratio of the protrusion shape should be less than about 0.1, most preferably about 0.01.
燃料電池スタック装置部品の超撥水性表面を撥水性に対して最適化するこのような方法の一つを、以下の例により説明する。 One such method for optimizing the super water-repellent surface of a fuel cell stack device component for water repellency is illustrated by the following example.
例:
燃料電池バイポーラプレート上に超撥水性表面が設けられると仮定する。燃料電池スタックアセンブリ内の最高予想動作圧力は5気圧であり、バイポーラプレート材料は以下の特性を有すると仮定する。
Example:
Assume that a super water-repellent surface is provided on the fuel cell bipolar plate. Assume that the highest expected operating pressure in the fuel cell stack assembly is 5 atmospheres and that the bipolar plate material has the following characteristics:
超撥水性表面は、バイポーラプレート上の四角柱(ω=90°)アレイを有する。超撥水性表面の撥水性は、流体接触面における水の実際の前進および後退接触角を増大させるように、以下の小さなx/y比を選択することにより最適化される。
x/y=λp=0.1を選択する。
ゆえに、
および、
となる。
The super water-repellent surface has a square column (ω = 90 °) array on a bipolar plate. The water repellency of the super water repellent surface is optimized by selecting the following small x / y ratio to increase the actual advancing and receding contact angles of water at the fluid contact surface.
Select x / y = λ p = 0.1.
therefore,
and,
It becomes.
液体が水であり、θa,0およびθr,0の値を上述した特性を有する材料と一致させて、様々なx/y値に対する突出部間隔(y)と最高圧力(P)との関係をプロットした図17を参照すると、最高圧力が51,500Paでx/y比が0.1の場合に、yは約5×10−7mつまり0.5μmであるべきだとわかる。したがって、以下のようになる。
次に、Zcを求めると以下のようになる。
The liquid is water and the values of θ a, 0 and θ r, 0 are matched to the material having the above-described characteristics, so that the protrusion spacing (y) and maximum pressure (P) for various x / y values Referring to FIG. 17 plotting the relationship, it can be seen that when the maximum pressure is 51,500 Pa and the x / y ratio is 0.1, y should be about 5 × 10 −7 m or 0.5 μm. Therefore, it becomes as follows.
Then, as it follows and seek Z c.
したがって、正方形の突出部が長方形アレイでバイポーラプレートに設けられる場合には、その断面寸法は約50nmとなり、約0.5μm離間しており、および高さは最低80nmとなる。 Thus, when square protrusions are provided on a bipolar plate in a rectangular array, the cross-sectional dimension is about 50 nm, about 0.5 μm apart, and the height is at least 80 nm.
上記の手順は、所望する任意の突出部の間隔および幾何学形状についても、ならびに所望する任意の表面の材料および幾何学形状についても使用されることは言うまでもなく容易に明らかであろう。 It will be readily apparent that the above procedure can be used for any protrusion spacing and geometry desired, as well as any desired surface material and geometry.
液滴を懸架して容易にはじき、液滴を表面傾斜の方向に重力により自由に転がす表面の傾向ゆえに、超撥水性表面を有する燃料電池部品が大きく改良された排水性を示すことが予想される。超撥水性表面は耐久性があり、上述した方法により選択された設計圧力までの圧力では超撥水性を示すことができる。そのうえ、本発明に係る超撥水性表面は、表面上の突出部の表面積が増大していることにより表面からの熱遮断を改良することが予想される。 Due to the tendency of the surface to suspend and repel droplets and roll the droplets freely by gravity in the direction of the surface inclination, it is expected that fuel cell parts with super water-repellent surfaces will show greatly improved drainage. The The super water-repellent surface is durable and can exhibit super water repellency at pressures up to the design pressure selected by the method described above. Moreover, the super water-repellent surface according to the present invention is expected to improve the heat shielding from the surface due to the increased surface area of the protrusions on the surface.
本発明の付加的な目的、長所、及び新規な特徴は、一部には以下の説明に提示され、一部には以下を検討すれば当業者には明らかとなるか、発明の実施によりわかるだろう。本発明の目的および長所は、添付の請求項に詳しく指摘された手段および組合せによって実現および達成される。 Additional objects, advantages and novel features of the invention will be set forth in part in the description which follows, and in part will be apparent to those skilled in the art upon consideration of the following or may be learned by practice of the invention. right. The objects and advantages of the invention will be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.
Claims (32)
液体をはじくようにされた表面部分を有する本体を有し、前記表面部分は複数の突出部を上に備える基板を有し、各突出部は断面寸法と基板に対する突出部立上り角とを有し、突出部は、下式により決定される臨界接触線密度値「ΛL」以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度値を表面部分が有するように分散され、
ここで、Pは表面部分における所定の最高予想圧力値、γは液体の表面張力、θa,0は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは突出部立上り角である燃料電池スタック装置の部品。 Parts of a fuel cell stack device,
A body having a surface portion adapted to repel liquid, the surface portion having a substrate with a plurality of protrusions thereon, each protrusion having a cross-sectional dimension and a protrusion rising angle relative to the substrate; The protrusion is dispersed so that the surface portion has a contact line density value measured in meters of the contact line per square meter of the surface area, which is equal to or greater than the critical contact line density value “Λ L ” determined by the following equation: ,
Where P is the predetermined maximum expected pressure value at the surface portion, γ is the surface tension of the liquid, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the protrusion material from experimental measurements, and ω is the protrusion Parts of the fuel cell stack device, which is a part rising angle.
ここで、dは隣接する突出部の間のメートル単位の最短距離、θa,0は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角であり、およびωは度単位の突出部立上り角である請求項1の部品。 The protrusion has a substantially uniform protrusion height with respect to the substrate, the protrusion height being greater than a critical protrusion height value “Z c ” in meters determined by the following equation:
Where d is the shortest distance in meters between adjacent protrusions, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the protrusion material from experimental measurements, and ω is in degrees The component of claim 1, wherein the protrusion has a rising angle.
表面を有する部品本体を形成する段階を有し;および
前記表面の少なくとも一部分上に複数の突出部を配置する段階を有し、各突出部は断面寸法と表面に対する突出部立上り角とを有し、突出部は、下式により決定される臨界接触線密度値「ΛL」以上となる、表面積の平方メートルあたりの接触線をメートル単位で測定した接触線密度を表面が有するように配置され、
ここで、Pは所定の最高予想圧力値、γは液体の表面張力、θa,0は、実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは突出部立上り角である方法。 A method of manufacturing a component of a fuel cell stack device, the component having a surface portion adapted to repel liquid, the method comprising:
Forming a component body having a surface; and disposing a plurality of protrusions on at least a portion of the surface, each protrusion having a cross-sectional dimension and a protrusion rising angle with respect to the surface. The protrusion is arranged such that the surface has a contact line density measured in meters of a contact line per square meter of surface area that is equal to or greater than a critical contact line density value “Λ L ” determined by the following equation:
Where P is the predetermined maximum expected pressure value, γ is the surface tension of the liquid, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the protrusion material from experimental measurements, and ω is the rise of the protrusion How to be horns.
ここで、dは隣接する突出部の間のメートル単位の最短距離、θa,0は表面上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは度単位の突出部立上り角である請求項12の方法。 Determining the critical protrusion height value “Z c ” in metric units according to the following equation:
Where d is the shortest distance in meters between adjacent protrusions, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the surface, and ω is the rise angle of the protrusion in degrees. Item 12. The method according to Item 12.
ここで、Pは表面部分における所定の最高予想圧力値であり、γは液体の表面張力、θa,0は、実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角、およびωは突出部立上り角である燃料電池スタック装置。 A fuel cell stack apparatus having at least one component having a surface portion adapted to repel liquid, the surface portion having a substrate with a plurality of protrusions thereon, each protrusion having a cross-sectional dimension and a substrate The contact line density value obtained by measuring the contact line per square meter of the surface area in units of meters, wherein the protrusion has a critical contact line density value “Λ L ” determined by the following formula. The surface portion is dispersed so that it has
Where P is the predetermined maximum expected pressure value at the surface portion, γ is the surface tension of the liquid, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the protrusion material from experimental measurements, and ω is the fuel cell stack device, which is the rising angle of the protrusion.
ここで、dは隣接する突出部の間のメートル単位の最短距離、θa,0は実験測定による突出部材料上の液体の度単位の真の前進接触角であり、およびωは度単位の突出部立上り角である請求項22の装置。 The protrusion has a substantially uniform protrusion height with respect to the substrate, and the protrusion height is greater than a critical protrusion height value “Z c ” determined by the following equation:
Where d is the shortest distance in meters between adjacent protrusions, θ a, 0 is the true advancing contact angle in degrees of liquid on the protrusion material from experimental measurements, and ω is in degrees 23. The apparatus of claim 22, wherein the protrusion rise angle.
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